【摘要】 探索基于强度传输方程的三维荧光成像原理，了解电可调透镜(ETL)在生物样本3D重建中的应用。本文解析TIE技术在定量相位成像中的优势，实现免切片、高精度细胞观测，适用于微生物与细胞学研究。

在生物医学研究领域，荧光成像技术已成为观测细胞结构与微生物活动的核心手段。传统技术如激光共聚焦显微镜虽能获取三维信息，但存在切片耗时、系统复杂等局限。最新研究通过**强度传输方程(TIE)**的创新型应用，实现了无需物理切片的全新3D成像方案。

 

TIE技术原理与系统优势

基于亥姆霍兹方程的数学推导，强度传输方程通过分析光强分布变化重构物体相位信息（图1）。其独特优势在于：

1.​设备精简：无需参考光路，采用常规LED光源即可构建紧凑型显微系统

2.抗干扰性强：部分相干光源下仍能保持高信噪比，有效抑制散斑噪声

3.动态检测：配合电可调透镜(ETL)实现快速变焦，单次实验完成多平面数据采集

图1. 3D 荧光成像装置。LED，发光二极管；L，透镜；TL，筒镜；ETL，电可调透镜；MO，显微镜物镜；M，镜子；DM，二向色镜；BPF，带通滤波器。[1]

 

关键技术突破与应用验证

研究团队通过改进算法实现三大创新：

  • ​相位-强度转换算法：仅需三幅散焦图像即可解算三维相位分布
  • ​自适应放大率：采用固定放大率设计，确保不同深度样本的成像一致性
  • ​窄带滤波技术：针对荧光物质发射光谱特征优化，提升空间分辨率

实验数据显示，该技术在观测细胞核三维结构时达到0.8μm轴向分辨率，较传统共聚焦显微镜提速3倍以上。目前已成功应用于：

  • 活体细胞动态过程监测
  • 微生物群体三维分布分析
  • 病理切片无损伤检测

 

未来发展方向

尽管当前系统在40X物镜下表现优异，研究团队正致力于：

1.拓展至更高放大倍率（100X油镜）

2.开发多光谱同步采集模块

3.结合深度学习优化相位重构算法

该成果已发表于《Journal of Biomedical Optics》（DOI:10.1117/1.JBO.25.3.032004），为生物医学成像领域提供新的技术选择。

 

参考文献：[1] Sudheesh K. Rajput, Manoj Kumar, Xiangyu Quan, Mitsuhiro Morita, Tomoyuki Furuyashiki, Yasuhiro Awatsuji, Enrique Tajahuerce, Osamu Matoba, "Three-dimensional fluorescence imaging using the transport of intensity equation," J. Biomed. Opt. 25(3) 032004 (12 November 2019)

 

科学指南针在全国建立32个办事处和20个自营实验室，拥有价值超2.5亿元的高端仪器。检测项目达4000+项，覆盖材料测试、环境检测、生物服务、行业解决方案、模拟计算等九大业务。累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。